平成19年3月23日学位規程第5条第1項該当

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氏名・（本籍）

学位の種類学位記番号学位授与の日付学位授与の要件研究杵専攻の名称学位論文題目

論文審査委員

青山聡（愛知県）

博士（工学）

工博甲第 290 号平成19年3月23日

学位規程第5条第1項該当

電子科学研究科ナノビジョン工学

AStudyonIntegratedActiveMagneticProbesn）rNear−field Measurement

（近傍磁界計測のための集積化アクティブプローブに関する研究）

（委員長）

教授浅井秀樹助教授青木徹

教授杉浦敏文教授用人祥二

論文内容の要旨

SincetheincreaslngOCCurrenCeOfdigitalsysteminterfもrencewithwireandradiocommunica−

tion，electromagneticcompatibility（EMC）becomesamqjordesignissue．Recentunavoidable trends，SuChasthehighdigitalclockfrequencies，highdensltylntegrationofelectroniccircuits，

andwirelesscommunicationdevicesonthechip，boosttheintegratedcircuits（ICs）upthemost Candidateofthesourceofemissions．

Asaresult，thesu句ectofinterestandinvestlgationoftheEMCmovesfromPrintedCircuit

Boards（PCBs）intoICchipsinthesedays・Inevaluationandtroubleshootingoftheelectromag−

neticinterference，identifyingthenoisesourceisusuallytheprlmaryapPrOaCh．Oneofthemost

POPularmethodR）rSearChingthesourceistomeasurethenear−fieldin／overtheICswithanear−

fieldprobe・However，duetothedecreaslngSizeofobjects，andtheincreaslngCOmplexltyOfthe electromagneticenvironment，anidentificationoftheradiatedemissionsinICsbecomesmore

difficulttoachieve・Withthatbackground，aminiaturesizenear−fieldprobehasbeengreatly

expected・Unfortunately，downsizlngtheprobeleadstothedegradationofitssensitivlty，and WOrSenlngtheevaluationefficiencybecausemechanicalscannlngWithasmall−Sizedprobere−

qulreSmuChtimefbrthemeasurement．

TosoIvetheproblems，itissensibletoapplyaCMOStechnologytodevelopthedesiredprobe・

AnadvancedCMOSprocessenablesustomakesubmicrondevices，integrateactivecomponents，

andeasilyconngureanarray・Inthisthesis，OurWOrkconcentratesindeveloplngamagneticprobe

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andprobearraybasedonSilicon−On−InsulatorCMOStechnology，featurlnghighsensitivlty，high spatialresolutionandwidebandwidth・SincetheCMOScircuitsactivelycontributetoitsperfbr−

mance，theproposedprobesaredescribedas一一activeprobes ，COmparedwiththeconventional

passiveones・

Inchapter2，PreliminaryknowledgeonEMCispresentedgivlngStreSStOtheICradiatedemis−

sions．FortheICemissionstest，fivedifferentmethodsareproposedbytheInternational Electr。teChnicalCommission（IEC）standard，andtwoofthemrequireasmallmagneticand／or electricprobeasasensordevice・Thepopularprobesusedforthesetests，Particularlyshielded loopcoilandoptlCPrObes，areStudiedhere・Furthermore，CruCialproblemsinheritedinthese passiveprobesandtheirpracticalsolutionsarediscussed・

Chapter3demonstratesthefundamentalsofanactivemagneticprobe・Thearchitectureandtech−

nologytoachievethehighsensitivltyandhighspatialresolutionareproposed・Differentialdetect−

ingcoilandwidebanddifferentialamplifiershavingthehighcommon−mOderejection（CMR）

。haracteristicsenabletheprobetoamplifythemagneticfield，andremovetheelectricfieldatthe

Theexperimentalresultsfromthefabricatedprototypeverify，forthefirsttime，thattheactive probecandiscriminatethemagneticfieldfromtheelectromagneticemissions・SincetheCMR

ratiooftheon−Chipamplifiersdirectlyaffectsthee−fieldsuppressionoftheprobe，itisanalyzed bythesma11−SignalanalysIS，COnSideringtheeffectofthemismatch・Theresultindicatesthateven thoughthereis1％mismatchinthecircuits，thee−fieldsuppressionratiooftheactiveprobecan attainover40dB，althoughthemeasuredresultdoesnotreachthevaluebecauseofthelargestray looplnthesystem・

Chapter4presentsafullyintegratedactiveprobeandprobearray，Whichareaimedforaprag一

matictool・Inresponsetotheevaluationresultsoftheprototype，theamplifiersaremodifiedin

bandwidthandtheCMRratio・Alltheperipheralcircuitsareintegratedinasamechip，1nOrderto maketheprobemorepractical・Asaresult，meaSurementreSultsshowthatthemodifiedprobe galnSthee−fieldsuppressionratioof38・OdBat50MHz，Whichisbyfarsuperiorcomparedwith

thatoftheconventionalshieldedloopcoilaswellastheprototype・

Activeprobearraycanoffernotonlyahigh−Speedandprecisemeasurementbutalsomultiple−

polntCOnCurrentmeaSurement・Usingthemodifiedamplifiers，anaCtiveprobearraylSCOnfigured withthreealigneddetectlngCOils，Whicharescannedfastandexactlybyelectricalswitching・The fabricatedarraydemonstratesthatthethreedifferentpolntSaredeterminedsimultaneouslywith anexcellentisolation．Itshouldbeemphasizedthatthisisthefirstresultobtainedbymultiple−

PolntCOnCurrentmeaSurementuSlngmicron−Sizedprobearray・Furthermore，a2−dimensional magneticfielddistributionmapISSuCCeSSfullydrawnbytheprobearray・Itisclearlyfoundthat theobtainedimageisfinerthanthatoftheshieldedloopcoil・

Althoughtheabove−mentionedprobeisprovenasanutilitytoolatthelowfrequency，theeffect ofoff−Chipparasiticsbecomescriticalatthehighfrequency・Itdegradestheprobeperfbrmanceby mismatchedimpedanceandlimitedbandwidth・Therefore，eXPandingtheprobebandwidthto−

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Wardstheglgahertzrangewillbeanextchallenge・Asamatteroffact，thiscanbeachievedwith anothercircuittechniqueintroducedinchapter5・Thealternativeactiveprobeiscalledadown−

COnVerSionmagneticprobe・Theideaapplyingfbrtheprobeisbasedonafrequencytranslation

techniqueinRFfront−end．Withanon−Chipmixerandavoltagecontrolledoscillator（VCO），

noisespectrumisdownconvertedtothefarlowerfrequency，Whichcanbearbitrarilychosenby anoff−Chipband−paSSfilter・Althoughameasurablefrequencyrangeislimitedduetotheopera−

tionrangeoftheVCO，Simulationresultsverifythatthespectrumissuccessfu11yidentifiedatthe translatedfrequency・Thearchitectureandthecomponentsdesignarealsodiscussed・

ThedevelopedactiveprobesinthethesisarewellapplicableforthemodernchiplevelEMI measurement，theonewithon−ChipamplificationtechniqueisatlowfrequencyuptoIGHzand

theotherdown−COnVerSionprobeisatseveralgigahertzrange，reSPeCtively・

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論文審査結果の要旨

LSIの高速、高密度集積化に伴い、半導体チップレベルでのEMI測定の必要性から、

高性能な近傍磁界計測用プローブが求められている。従来のパッシブ型プローブでは、

高感度化と高分解能化の両立が困難であった。また、近傍磁界分布計測の解像度を高めると多大な計測時間が必要とされ、計測を高速化する新しい手段の開発が必要とされていた。本論文は、CMOS SOI技術を用いて高感度、高空間分解能の両立を可能とし、高速近傍磁界分布計測を実現する新しいアクティブ型プローブに関する研究を取りまとめ

たものであり、仝6章よりなる。

第1章は緒言であり、本研究の背景と目的を述べている。第2章は、EMI測定に関する基礎的考察として、EMI測定に関する先行研究について述べ、本研究の課題と到達目標について述べている。第3章では、電界成分を除去し、高感度に磁界成分を検出する

ことができる、差動プローブコイルと高同相成分除去比をもつ差動増幅回路に基づく新しいアクティブ型プローブを提案し、CMOS SOI技術に基づく試作により近傍増幅による高い空間分解能と高感度化の両立と、回路的手法により電界成分除去が可能であることを、初めて実証している。第4章では、CMOS技術によるアクティブ型磁界プローブの利点を最大限活用し、必要な機能をすべて集積化するとともに、多点同時測定を可能

にする初めてのアクティブ型磁界プローブアレイの試作に結果について述べている。全機能の集積化によって、電界除去性能が高められ、50MHzにおいて38dBの電界除去比を得ている。これは従来のシールデノドループ型磁界プローブに比べて20dB以上高い値である。また、アレイ型プローブにより2次元高周波磁界分布を得ており、これはミ

クロンレベルの空間分解能をもつプローブとして、初めて多点同時測定が可能であることを示したものである。第5章では、GHz帯の高周波磁界の計測を高感度なアクティブ型プローブとして実現するため、周波数変換技術を導入した新概念の高周波磁界プローブを提案し、その有用性をシミュレーションによって明らかにしている。第6章は、結言であり本研究により得られた成果をまとめている。

以上のように本論文は、高周波磁界計測にアクティブプローブという新しい概念を導入し、従来困難であった高分解能化と高感度化の両立と、高速2次元磁界分布計測への道を開いたものであり、計測の分野に寄与するところが大きい。よって、本論文は、博士（工学）の学位を授与するに十分な内容を有するものと認める。

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